Курсовая расчетная работа по теме Материальные и тепловые расчеты процесса 2х ступенчатой конверсии метана в производстве аммиака
 Скачать 0.58 Mb.
|
0,1 МПа) и соотношении пар:газ = 4:11: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
и 
– исходные количества воздуха и природного газа, соответственно:
| № | Вещество | Уравнение для нахождения значения теплоемкости Ср | Значение Ср при Т = 500°С (773К), кДж/(кмоль*град) | Значение Ср при Т1 = 820°С (1093К), кДж/(кмоль*град) | Значение Ср при Т2 = 1020°С (1293К), кДж/(кмоль*град) |
| 1 | Азот (N2) |  | 31,17 | 32,54 | 33,39 |
| 2 | Водород (Н2) |  | - | 30,89 | 31,53 |
| 3 | Кислород (О2) |  | 33,45 | 34,85 | - |
| 4 | Монооксид углерода (СО) |  | - | 32,85 | 33,68 |
| 5 | Водяной пар (Н2О) |  | 38,33 | 41,73 | 43,87 |
| 6 | Метан (СН4) |  | 63,52 | 82,20 | 93,76 |
Рассчитаем тепловые потоки, входящие во второй реактор.
Рассчитаем массовые и тепловые потоки, выходящие из второго реактора:
Система имеет дополнительные источники энергии в виде тепловых эффектов реакций:
Рассчитаем степень превращения
:
Подставив полученные выше выражения в уравнение, степень превращения метана после первого реактора составит:
Тогда тепловой баланс второго реактора будет выглядеть следующим образом:
| Входящие потоки | Выходящие потоки | ||
| Наименование компонента | МДж/сутки | Наименование компонента | МДж/сутки |
| Метан | 632270,04 | Метан | 9059,61 |
| Водяной пар | 4130875,10 | Водород | 2717873,48 |
| Монооксид углерода (СО) | 687388,39 | Монооксид углерода (СО) | 1195706,98 |
| Водород | 1938659,57 | Вода | 5875368,40 |
| Азот | 637082,95 | Азот | 1342983,11 |
| Кислород | 166274,43 | | |
| Тепловой эффект конверсии метана | -1863393,71 | | |
| Тепловой эффект сгорания кислорода | 4811834,78 | | |
| | | | |
| Всего | 11140991,57 | Всего | 11140991,57 |
3. Покомпонентный материальный баланс системы.
Составим материальный баланс по рассчитанным выше данным:
| Входящие потоки | Выходящие потоки | ||||
| Наименование компонента | кг/сутки | кмоль/сутки | Наименование компонента | кг/сутки | кмоль/сутки |
| Природный газ, в т.ч.: | 615215,78 | 36927,72 | АВС, в т.ч.: | | |
| метан | 558347,09 | 34896,69 | водород | 236586,94 | 118293,47 |
| азот | 56868,69 | 2031,02 | азот | 1104072,40 | 39431,16 |
| Водяной пар | 2658795,67 | 147710,87 | монооксид углерода | 55203,62 | 1971,56 |
| Воздух, в т.ч.: | 1365341,55 | 47341,94 | Метан | 5638,75 | 352,42 |
| кислород | 318137,84 | 9941,81 | Вода | 1808595,01 | 100477,50 |
| азот | 1047203,71 | 37400,13 | Диоксид углерода | 1433199,40 | 32572,71 |
| | | | | | |
| Всего | 4639353,00 | 231980,53 | Всего | 4643296,12 | 260526,11 |
Погрешность составит:
Проверяем соотношение АВС:
Описательная часть
1) Показать схематично последовательность стадий (привести ФУНКЦИОНАЛЬНУЮ схему) производства аммиака из природного газа методом паровоздушной конверсии и дать краткое описание каждой стадии.
1. Очистка природного газа от серосодержащих соединений2.
Как правило, природный газ содержит в виде примесей сероводород H2S, меркаптаны RSH, тиофен С4Н4S, сероуглерод СS2 и др. соединения. Поэтому первой стадией в производстве аммиака является удаление нежелательных примесей из сырья, которые зачастую являются ядами для катализаторов. Сначала соединения гидрируют до сероводорода:
RSH + H2 = H2S + RH
С4Н4S + 4H2 = H2S + С4Н10
СS2 + 4H2 = 2H2S + СН4
Необходимый водород для гидрирования поступает в виде АВС (азото-водородной смеси) со стадий конверсии метана, температура процесса выше 670К, катализатор – Co-Mo. Вторая ступень очистки - сорбционная чистка в абсорбере с использованием поглотителя оксида цинка:
H2S+ ZnO= ZnS↓+Н2О.
2. Конверсия метана с водяным паром.
И природный газ СН4, и вода Н2O являются сырьем для получения одного из компонентов для синтеза аммиака — водорода Н2. В этом превращении протекают одно временно две реакции:
СН4 + Н2О = СО + 3 Н2;
СО + Н2О = СО2 + Н2.
Конверсия метана протекает с увеличением объема, понижение давления и высокая температура термодинамически выгодны для стадии превращения метана, но не выгоны в целом для процесса, так как синтез аммиака протекает при повышенном давлении 30 МПа. На стадии конверсии метана оптимальным является давление до 4 МПа, а соотношение водяного пара к природному газу целесообразно брать 4:1, температура 1300К. Количество подаваемого воздуха должно обеспечивать соотношение водород:азот = 3:1. Температура газа после конвертера 1230-1280К, давление падает до 3,3 МПа.
3. Конверсия моноокиси углерода с водяным паром.
СО + Н2О = СО2 + Н2.
Конверсия проводится в двух реакторах с различными катализаторами: в первом – Fe-Cr катализатор реагирует при температуре 600-700К, далее после охлаждения реакция протекает во втором реакторе с Сu-содержащим катализатором при температуре 480-540К. Остаточное содержание СО не превышает 0,3-0,5%.
4. Очистка от оксидов углерода СО и СО2.
В конвертированном газе содержание СО не превышает 0,3-0,5%, СО2 до 17-18%. СО является ядом для большинства катализаторов, СО2 – балласт для синтеза аммиака. Эти примеси необходимо удалить. Удаление сорбцией требует специфических сорбентов, необходимых в большом количестве. В настоящее время используется два специфических способа очистки от оксидов углерода.
Диоксид углерода абсорбируют 19-21%-ным водным раствором моноэтиламина (далее – МЭА):
СО2 + 2 RNH2+ Н2О = (RNH3)2CО3.
Эта стадия носит название МЭА-очистки. Поглощение диоксида углерода (карбонизация раствора МЭА) – обратимый процесс: с повышением температуры равновесия сдвигается влево, тем самым позволяя регенерировать сорбент. Поэтому в схеме очистки используются два аппарата: абсорбер и десорбер.
Но раствор МЭА не поглощает оксид углерода, поэтому последний превращают в метан, который безвреден для катализатора и инертен в процессе синтеза аммиака:
СО + 3 Н2 = СН4 + Н2О.
Процесс проводят при низкой температуре (500-550К) с использованием Ni-катализатора при большом избытке водорода (около 75% в АВС).
5. Синтез аммиака.
3 H2 + N2 = 2 NH3.
Синтез аммиака протекает на катализаторе, в качестве которого используют пористое железо с добавками стабилизирующих и промотирующих элементов (алюминий, калий, кальций и др.). Данный катализатор активен и термически устойчив в области температур 650-830К. Реакция обратимая, экзотермическая и протекает с уменьшением объема, следовательно, понижение температуры и повышение давления приводят к увеличению выхода продукта. Оптимальным давлением является 30-32 МПа, выход целевого продукта составляет 16%, для полноты использования АВС используют рецикл, часть газа при этом из рецикла выводится.
2)Изобразить схематично все типы химических реакторов, которые используются на различных стадиях производства аммиака с обоснованием их использования.
На стадии очистки природного газа от серосодержащих соединений используют однослойный реактор с неподвижным слоем зернистого поглотителя. На кобальто-молибденовом катализаторе происходит гидрирование серосодержащих соединений до сероводорода. Полученный сероводород поглощается в однослойном абсорбере с неподвижным слоем ZnS.
Трубчатая печь представляет собой реактор для конверсии природного газа и воды, аппарат состоит из труб, в которых находится катализатор. Такое строение позволяет эффективно обогревать газовую смесь.
Для проведения второй ступени конверсии природного газа используется адиабатический реактор, благодаря чему теплота подаётся внутренним теплообменом, повышая температуру газовой смеси.
Дополнительная конверсия СО проходит а реакторе с адиабатическими слоями катализатора с охлаждением между ними для увеличения степени превращения при понижении температуры.
Очистка от СО происходит при метанировании водородом в однослойном реакторе, так как не происходитсильный адиабатический разогрев при этом процессе.
Синтез аммиака должен проходить при отводе тепла, для достижения оптимальной температуры процесса, это обеспечивается в многослойном реакторе с промежуточным теплообменом (а) или в трубчатом реакторе с охлаждением (б).
3)Составить структурную схему производства аммиака с указанием основных аппаратов.
1 – колонна (реактор) синтеза NH3 , 2, 3, 13 – теплообменники, 4 – воздушный холодильник, 5 – сепаратор, 6 – сборник аммиака, 7 – циркуляционный компрессор, 8 – конденсационная колонна, 9 – испаритель, 10 – реактор метанирования СО, 11 – абсорбер, 12 – реактор конверсии СО с медьсодержащим катализатором, 14 – реактор с железохромовым катализатором, 15 – шахтный конвертор, 16 –трубчатая печь, 17 – компрессор, 18 – реактор очистки природного газа от серосодержащих соединений.
4) Привести технологическую схему отдельной стадии процесса (по указанию преподавателя).
Синтез аммиака3
Свежая азотоводородная смесь (далее – АВС), сжатая во второй ступени центробежного компрессора до давления 30-32 МПа, после охлаждения в воздушном холодильнике поступает в нижнюю часть конденсацинной колонны 8 для очистки от остаточных количеств воды и диоксида углерода. Очистку осуществляют барботажем газа через слой сконденсировавшегося жидкого аммиака.
Пройдя слой жидкого аммиака, свежая АВС насыщается аммиаков до 3-5% и смешивается с циркуляционным газом. Смесь свежего и циркуляционного газов проходит по трубам теплообменника конденсационной колонны и направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника 4, где нагревается до температуры не выше 195°С за счет тепла газа, выходящего из колонны синтеза. Из выносного теплообменника циркуляционный газ поступает в колонну синтеза 2, проходя снизу вверх по кольцевой щели между корпусом колонны и кожухом насадки, а затем в межтрубное пространство внутреннего теплообменника, размещенного вверху в горловине корпуса колонны. В теплообменнике газ нагревается до 400-440°С за счет тепла газа, выходящего из катализаторной коробки, последовательно проходит четыре слоя катализатора, на котором осуществляется синтез аммиака. Температурный режим перед каждой полкой поддерживают подачей газа между полками. Газ отбирают из потока перед колонной с температурой до 190°С.
Пройдя четвертый, нижний слой катализатора, азотоводородоаммиачная смесь с содержанием аммиака около 15% и температурой 500-515°С по центральной трубе поднимается вверх, входит в трубки внутреннего теплообменника, охлаждаясь до температуры 330°С, и выходит из колонны синтеза. Далее газовая смесь проходит трубное пространство подогревателя питательной воды 3, охлаждаясь до температуры 215°С. После прохождения трубного пространства выносного теплообменника 4, она охлаждается входящим циркуляционным газом до 65°С. С 65°С до 40 °С газ охлаждается в аппаратах воздушного охлаждения 5 (узел первичной конденсации), где из газа конденсируется часть аммиака. Сконденсировавшийся аммиак отделяется в сепараторе 15, а газовая смесь, содержащая 10-12% аммиака, поступает в азотоводородный компрессор, где сжимается еще раз до 30-32 МПа.
Циркуляционный газ с температурой 50°С поступает в систему вторичной конденсации, состоящую из конденсационной колонны 8 и испарителей жидкого аммиака 9. Газ подается в конденсационную колонну сверху, проходит межтрубное пространство теплообменника, охлаждаясь до 18°С газом, идущим по трубам. Далее газ поступает в испаритель жидкого аммиака, где, проходя по U-образным трубкам высокого давления, охлаждается до -5°С за счет кипения аммиака при температуре -10°С в межтрубном пространстве испарителя. Газообразный аммиак из межтрубного пространства испарителя направляется в холодильную установку для сжижения аммиака и возврата в испарители.
Из трубного пространства испарителя смесь охлажденного циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где происходит отделение жидкого аммиака от газа. Здесь же свежий газ смешивается с циркуляционным. Далее газовая смесь проходит корзину, заполненную полуфарфоровыми кольцами, где отделяется от капель жидкого аммиака, поднимается по трубкам теплообменника конденсационной колонны и направляется в выносной теплообменник, а затем – в колонну синтеза аммиака. Так циркуляционный цикл замыкается.
Жидкий аммиак после первичного сепаратора с температурой 40°С, пройдя магнитные фильтры 7, очищается от катализаторной пыли, дросселируется до давления 2 МПа и поступает в сборник жидкого аммиака 13, куда также под давлением 2 МПа поступает аммиак из конденсационной колонны. За счет дросселирования жидкого аммиака с высокого давления до давления 2 МПа происходит выделение растворенных в жидком аммиаке газов: водорода, азота, аргона и метана. Эти газы содержат около 16% аммиака. Утилизация аммиака из этих газов производится путем его конденсации в испарителе 12 на линии газов при температуре от -20 до -25°С.
Из испарителя газы и сконденсировавшийся аммиак поступают в сепаратор 15, там жидкий аммиак отделяется и подается в сборник жидкого аммиака 13. Для поддержания в циркуляционном газе содержания инертов в пределах 14-18% производят постоянный отбор части газа после первичной конденсации. Количество продувочных газов зависит от содержания инертных примесей в свежем газе, давления в системе синтеза, активности катализатора и колеблется в пределах 3-8 тыс. куб. м. Аммиак из продувочных газов выделяется пи температуре от -25 до -30°С в конденсационной колонне 10 и испарителе 11. Смесь газов и продувочных газов после выделения аммиака, аргона, водорода и гелия используют как топливный газ, для чего она направляется на сжигание и блок конвекции метана.
Основной аппарат на стадии синтеза аммиака – колонна синтеза аммиака. В колонне смесь подогревается до температуры начала реакции и проходит через слой катализатора при соблюдении необходимого температурного режима. Учитывая сложное устройство колонны и тяжелые условия работы (высокие давления и температура, содержание в среде водорода), конструктивно колонну делят на два самостоятельных элемента: корпус и детали высокого давления, рассчитанные на полное давление процесса, и внутреннюю часть (насадку), рассчитанную только на перепад давлений газового потока между входом и выходом из колонны.
В различных конструкциях вопросы отвода тепла из зоны катализа решают по-разному: тепло отводят или температуру снижают скачкообразно после каждого слоя катализатора.
При загрузке катализатором колонн синтеза необходимо решить противоречие, связанное с выбором оптимального размера зерна катализатора. При применении крупных зерен катализатор используется не полностью, использование мелкого зерна способствует высокому гидравлическому сопротивлению. Чтобы сгладить эти противоречия в крупнотоннажных производствах проводят дифференцированную загрузку катализатора, изменяя в определенном порядке диаметр его зерен по высоте колонны.
На стадии синтеза аммиака используется пусковой подогреватель с огневым обогревом. Он служит для подогрева АВС в период пуска и восстановления катализатора в колонне синтеза, а также нагрева газа при нарушениях автотермического режима в колонне синтеза. АВС нагревается за счет тепла, выделяемого при сгорании природного газа в горелках. Так как подогреватель соединен с колонной синтеза горячим трубопроводом, на котором отсутствует отключающая арматура, то подогреватель находится в течение всего периода работы колонны синтеза под давлением. Пусковой подогреватель представляет собой вертикальный аппарат, состоящий из корпуса низкого давления и змеевиков высокого давления. Аппарат футерован огнеупорным материалом, материал змеевиков принят из нержавеющей стали.
В схеме также имеется подогреватель воды, предназначенный для подогрева питательной воды за счет тепла реакции синтеза аммиака. В подогревателе воды трубные доски жестко связаны с корпусом, а прямые теплообменные трубки имеют участок, позволяющий компенсировать разность температурных удлинений корпуса и трубок. На прямых участках труб устанавливают перегородки для увеличения эффективности теплопередачи. На компенсирующих участках установка перегородок не требуется, так как на этих участках обеспечивается необходимая скорость потока. В центре устанавливают сердечник из труб с креплением его к одной трубной доске. Такая конструкция обеспечивает надежную работу теплообменника в части герметичности заделки труб при разности температур трубок и корпуса до 100°С.
Для предварительного подогрева газа, поступающего в колонну синтеза аммиака, установлен выносной теплообменник. Он вертикальный, состоит из корпуса высокого давления и насадки. Насадка представляет собой теплообменник кожухотрубчатого типа.
Для охлаждения АВС, выходящей из выносного теплообменника, и конденсации аммиака установлен блок аппаратов воздушного охлаждения. Блок состоит из шести аппаратов, каждый аппарат – из трех секций. Воздух нагнетается двумя осевыми вентиляторами, установленными под каждым аппаратом.
Сепаратор жидкого аммиака предназначен для сепарации аммиака, сконденсировавшегося в блоке аппаратов воздушного охлаждения. Аппарат горизонтального типа имеет большую поверхность сепарации, окончательная очистка от капель жидкого аммиака осуществляется в сепарирующих пакетах из металлических сеток.
Циркуляция газовой смеси в агрегате синтеза аммиака осуществляется с помощью специального компрессионного колеса, размещенного в последнем корпусе компрессора АВС.
Конденсационная колонна предназначена для рекуперации холода и сепарации аммиака, состоит из корпуса высокого давления и насадки. В сепарационную часть конденсационной колонны осуществлен подвод свежего газа в слой жидкого аммиака для удаления следов углекислоты и влаги.
Испаритель жидкого аммиака предназначен для охлаждения циркуляционного газа и конденсации аммиака. Аппарат горизонтальный с U-образными трубками. Внутри аппарата расположено сепарирующее устройство в виде сетчатых элементов.
Библиографический список
Кутепов А.М. Общая химическая технология: Учеб.для вузов/А.М.Кутепов, Т.И.Бондарева, М.Г.Беренгартен. – 3-е изд., перераб. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. – 528 с.
Бесков В.С. Общая химическая технология: Учебник для вузов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. – 452 с.: ил.
Игнатенков В.И., Бесков В.С. Примеры и задачи по общей химической технологии: Учеб.пособие для вузов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. – 198с.:ил.
Семенов В.П. Производство аммиака. – М: Химия, 1985. 368 с., ил.
Методическое пособие 4205.
Ресурсы сети «Internet».
1 В.С. Бесков «Общая химическая технология», стр. 401.
2 В.С. Бесков «Общая химическая технология», стр. 397-410.
3 Семенов В.П. «Производство аммиака», стр.152.